FENSAP-ICE应用实例--多因素影响下的风力机结冰模拟

导读：

风能具有可再生、无污染而且储量大的优势，采用风力发电机将风能转化成电能是现在绿色能源的重要来源之一。为了提高风力机的装机容量，在寒冷地区(高山)安装风力机的情况越来越多，主要原因是寒冷地区的空气密度更高，大温差形成的风更强，有利于风能的利用。风力机叶片表面的形状对风能的利用效率影响很大，在高纬度或高海拔地区的冬季，空气中的过冷水滴碰到运行的风力机叶片会引起叶片表面结冰，对风力机运转的安全性和经济性造成严重的影响。

人工为风电叶片除冰

叶片大量覆冰会造成风力机功率损失、机械故障、坠冰引发的安全隐患等问题：改变叶片的气动性能，造成叶轮气动、质量不平衡；升力系数下降和风能利用率降低，造成发电量的损失；阻力系数增加，导致传动链轴向载荷过大；叶片质量增加，轮毂转矩增大，影响叶根处疲劳寿命；叶片旋转过程中容易出现冰块脱落，发生坠落伤害等事故。

鉴于以上叶片结冰的巨大危害，所以本文通过仿真方法确定多个因素对结冰的影响，尽可能优化设计以减少结冰情况的发生。另外，通过仿真方法分析结冰厚度、结冰位置，为后续除冰提供指导依据。

1 仿真前处理

1.1 几何模型处理

在进行数值计算之前，往往需要将数模进一步的处理，以方便而准确地得到数值解。这部分数模处理工作使用ANSYS SCDM中的建模工具完成。

风力发电叶片计算域数模

建立的数模为典型的方型远场。

1.2 网格划分和边界条件

网格生成是采用计算流体力学方法对流场进行数值模拟的基础，常用的网格分为结构网格和非结构网格两大类。本文工作要借助通用的网格生成软件FLUENT MESHING生成计算区域内的网格。该类型的网格尺度容易控制，对复杂外形和不规则壁面边界的适应性强，有助于后续的流场计算结果的收敛性。

划分网格需建立相应的远场边界面、地面以及叶片表面分区。远场形状的选取与目标体的几何拓扑形状相关，应尽量保证相似性。远场和叶片的距离应相对足够大以避免远场对近壁面区的影响。叶片截面最大弦长约为4.5m，本文取远场与叶片距离为该值的8倍。由于FENSAP流场求解器要求壁面第一层网格尺寸必须小于10-5m，本文采用0.005mm的边界层第一层网格厚度。

计算区域内生成的网格如图所示。网格在叶片表面附近密度增大用来捕捉边界层区域的流动信息。

为了得到更加准确的计算结果，这里将地面也建立了致密的边界层网格。

风力发电叶片计算域整体网格

风力发电地面附面层网格加密

边界条件是指在求解区域的边界上所求解的变量或者变量的一阶导数随位置或者时间的变化规律。边界条件是使计算流体力学问题有确定解的必要条件，只有给定合理的边界条件，才可能计算得到正确的流场数值解。在本文的空气场计算中，远场面设为压力远场条件，叶片表面设定为无滑移壁面边界条件，地面设为参数壁面条件。

2 模型选择及条件设置

压力远场条件需要设定压力和速度，根据状态点的具体参数输入压力以及速度分量。叶片表面为壁面条件，且认为底层无滑移，即认为边界层底部的气流速度为0。地面边界条件不需要指定具体的数值，计算时软件默认其两侧的数据壁面分布。

流体在实际流动过程中，流体介质之间会进行质量、动量和能量的相互交换，引起各物理量数量上的波动。由于这种波动是小尺寸且是高频率的，所以不能直接模拟。通常采用Reynolds时均方程的模拟方法，根据增加的控制方程数量，可以将湍流模型分为零方程模型、一方程模型、二方程模型和多方程模型。Spalart-Allmaras单方程模型适用于带有层流流动的固壁湍流流动，它被设计用于航空领域且已经显示出了较好的效果,与试验结果吻合度高。因此本文采用S-A模型作为湍流模型，解决叶片的外流场湍流问题。

库朗特数的选择会影响FENSAP对流场以及DROP3D对水滴场的求解过程。本报告选择的流场求解库朗特数为100，在这个数值下，本地时间步由特征速度，音速以及每个单元体的尺寸计算得出。本文选择的水滴场求解库朗特数为2，在这个数值下，本地时间步由当地速度，阻力以及每个单元体的尺寸计算得出。在计算水滴场时，选择monodisperse模型作为水滴分布模型，即认为水滴具有单分散性，所有水滴直径均为预先设定的20μm。

3 计算结果：

本文叶片表面计算节点分布如下所示：

风力发电叶片表面节点分布

计算表面平均温度时，首先考察单个的面网格。一个面网格包含4个独立的节点，节点坐标已知，而且网格足够小（前缘弧度较大的区域网格也较为密集）可近似看作矩形，因此，可以求出网格面积。另外，将叶展方向相邻两个节点的温度值算术平均作为面网格的代表温度。叶片表面从叶根到叶梢被网格线划分为许多个二维截面，输出所有二维截面的节点温度值。以叶根截面为起点，逐步考察两个互邻截面，通过面积加权平均完成整个三维表面均温的求解。

本文对风力机叶片进行数值建模和计算，由FENSAP流场计算出发，进一步进行DROP3D水滴场仿真，直到最终完成ICE3D表面热平衡分析。

%2) FENSAP流场求解

流场求解的精确性是后续计算的前提，基于NS方程，FENSAP流场求解器计算了叶片绕流空气场的速度和压力等变量。

大型叶片绕流速度矢量场

大型叶片表面压力云图

上图为风力发电叶片的绕流速度矢量场和表面压力分布。速度场计算结果符合空气动力学原理也与叶片特点一致。表面压力云图显示了前缘与后缘处存在局部高压区。

下图为地面处的叶片流线图，叶片上表面气流被加速，前缘和后缘有气流滞止区，计算结果符合空气动力学原理也与叶片特点一致。

风力发电叶片绕流流线图

%2) DROP3D水滴场计算

水滴场计算结果反映了水滴撞击叶片表面时的分布特征。局部水收集系数是表面微元节点处水收集能力的表征，为该处实际收集到的水量和最大可能收集到的水量之比，数值从0到1不等。

风力发电叶片水滴收集系数

风力机叶片局部LWC

图为水滴撞击到风力发电叶片表面的LWC分布。以气动驻点为中心，呈现中间大两边小的分布特点。当与气动驻点的表面距离越来越大时，收集系数逐渐减小，直到变为0。最靠近前缘驻点的水收集系数为0的点即为撞击极限，上表面和下表面各有一个撞击极限，它们之间的前缘区域就是水收集区。

叶片局部水收集系数

%2) ICE3D热流计算

根据上文描述的热载荷计算方法，使用FENSAP-ICE中的ICE3D模块计算叶片表面结冰。

风力机叶片表面结冰情况

风力机叶片表面结冰厚度云图

由图中可知叶片中部及叶梢结冰严重，叶根处积冰相对较少。

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